JPH055624B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は工作機械における行具の折損や異常を
切削加工及び折損時に発生するアコーステイツク
エミツシヨン（以下AEという）を利用して監視、
自動検出する工具折損検出装置に関するものであ
る。

〔発明の概要〕

本発明による工具折損検出装置は、工具の種類
にかかわらず折損時のAE信号が同一の減衰特性
を持つて減衰することに鑑みてなされたもので、
その減衰特性をAE信号の二つの時間の振幅レベ
ルを比較することにより判別している。そして
AE信号の減衰特性と折損時のAE信号との類似性
を識別し、それを工具の折損検知の一条件とする
ようにしたものである。このように周波数検知等
の他の折損検出条件とは独立の振幅の減衰特性に
基づいた検知条件を加えることによつて、工具折
損の検出の信頼性を向上させることができる。

〔従来技術とその問題点〕

工作機械において工具を用いて加工対象（以下
ワークという）を切削加工する場合、何らかの原
因で工具が折損し又切屑のつまりを起こして異常
切削している場合がある。近年の工場自動化の進
展に伴いこのような工具の折損や異常切削を自動
的に検出することが強く要求されている。こうし
た工作機械の工具の折損を検出する一手法とし
て、従来より工作機械の工具のワークの近傍に
AEセンサを設け、そこから得られるAE信号に基
づいて工具の折損を検出する装置が提案されてい
る。

しかしながら従来の工具折損検出装置によれ
ば、AEセンサより得られる信号の振幅の平均値
や特定の周波数に基づいて工具の折損を検出して
いる。従つて他の原因で得られるAE信号、例え
ばワークの切屑から発生する信号やソレノイドの
開閉等に伴う電気ノイズ、ワークに物体が接触し
た場合の衝撃音等と充分に分離することができ
ず、折損検出の信頼性が極めて低いという問題点
があつた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の工具折損検出装置の
問題点に鑑みてなされたものであつて、工具の大
きさや切屑、他の信号等に影響されず確実に工具
の折損を検出することができる信頼性が高い工具
折損検出装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成と効果〕

本発明は工作機械の工具近傍に設けられたAE
センサを有し、工具の折損時に得られるAE信号
に基づいて折損を検出する工具折損検出装置であ
つて、ある時刻のAEセンサのAE信号の振幅及び
該時刻より一定時間前のAE信号の振幅を比較し、
該振幅の比が折損時の減衰特性の範囲内にあると
きに出力を出す減衰特性識別手段と、AEセンサ
の出力信号に基づいて工具折損を識別する信号処
理部と、減衰特性識別手段及び信号処理部の論理
積出力に基づいて工具折損検出出力を出す論理出
力手段と、を具備することを特徴とするものであ
る。

このような特徴を有する本発明によれば工具折
損時のAE信号の減衰特性を用いて工具の折損検
出の一条件としている。折損時のAE信号の減衰
特性は又工具からAEセンサまでのAE信号の減衰
等の影響を受けることがない。従つて他の検出条
件、例えばAE信号のパワースペクトル分布によ
る折損の判定や折損信号の立上りに基づく判定等
と共に論理積条件によつて確実に工具の折損が検
出される。そのため本発明によればワークの切屑
や電気ノイズ等の信号によつて誤動作することが
なく、工具の折損検出の信頼性を大幅に向上させ
ることが可能となる。

〔実施例の説明〕

（実施例の全体構成） 第１図は本発明による工具折損検出装置の一実
施例を示すブロツク図である。本実施例はボール
盤に取付けられた状態を示すものであつて、ワー
ク１はボール盤のベース上に固定されており、ワ
ーク１の上部よりドリル２を回転させて所定速度
で押下しワーク１に開口が設けられる。ここでワ
ーク１の上部のドリルの刃が接触する位置にワー
クに切削を行う前にあらかじめAEセンサと同じ
PZT等からなる擬似折損信号発生器３が取付け
られる。レベル設定器４はこの擬似折損信号発生
器３の駆動レベルを設定するものであつて、使用
工具の大きさ、種類に応じて定められた駆動レベ
ルを設定し駆動回路５に伝える。駆動回路５は擬
似折損信号発生器３を駆動するものであつて、あ
らかじめ工具の折損時のAE出力波形と相似で且
つ同一のパワースペクトル分布を持つ駆動波形に
より擬似折損信号発生器３を駆動するものであ
る。そしてワーク１が配置される工具の近傍、例
えば第１図に示すようにベース上にAE信号を検
出するAEセンサ６を設ける。AEセンサ６はドリ
ル２等の工具からのAE信号や擬似折損信号発生
器３からのAE信号を検出する広帯域のAEセンサ
であつて、その出力はアナログスイツチ７に与え
られる。アナログスイツチ７は外部の出力によつ
てアナログ信号を断続するもので、その出力は増
幅器８に与えられる。増幅器８は可変抵抗器９の
調整により増幅率を任意に設定することができる
増幅器であつて、その出力を二つのバンドパスフ
イルタ１０，１１及び切削レベル表示器１２に与
えるものである。バンドパスフイルタ１０は中心
周波数300KHz、バンドパスフイルタ１１は中心
周波数50KHzのフイルタであつて、夫々の中心周
波数付近の信号のみを次段の検波器１３，１４に
伝える。検波器１３，１４は夫々その入力信号を
検波し振幅に応じた出力を得るものであつて、検
波器１３の出力は微分回路１５と遅延回路１６に
与えられる。又検波器１３，１４の出力は夫々比
較器１７に与えられる。これらのバンドパスフイ
ルタ１０，１１、検波器１３，１４及び比較器１
７により折損時のAE信号を識別する周波数識別
手段を形成している。微分回路１５は入力信号の
急峻な変化分のみを次段のレベル判定器１８に伝
える。レベル判定器１８は所定の基準レベルと入
力信号とを比較するものであり、入力信号が大き
ければ出力を折損検出回路１９と異常切削検出回
路２０に伝える。遅延回路１６は入力信号を所定
時間ΔTだけ遅延させるものであつて、その出力
をアツテネータ２１に与える。アツテネータ２１
は後述するように入力信号を所定の比率で減衰さ
せるもので、その出力をウインドーコンパレータ
２２の一方の入力端に与える。又検波器１３の出
力は遅延回路１６を介することなく直接ウインド
ーコンパレータ２２の他方の入力端に与えられて
いる。ウインドーコンパレータ２２は二つの入力
信号の差が所定範囲内に入るときに出力を出すも
のであつて、その出力を折損検出回路１９に伝え
る。ここで遅延回路１６、アツテネータ２１及び
ウインドーコンパレータ２２によつて折損時の減
衰特性を識別する減衰特性識別手段が形成されて
いる。又比較器１７も検波器１３，１４の出力を
比較し、検波器１３の出力が大きい場合にのみ出
力を折損検出回路１９に伝える。折損検出回路１
９はこれらの入力の論理積をとつて工具の折損を
検出する論理回路であつて、検出信号によつてア
ナログスイツチ７を閉成すると共に出力回路２３
を介して外部に出力する。又異常切削検出回路２
０はレベル判定器１８の出力に基づいて異常切削
を検出するものであつて、その出力を出力回路２
４を介して外部に伝えるものである。

（AEセンサの感度設定動作） 次に本実施例において工作機械、この場合はボ
ール盤にこの工具折損検出装置のAEセンサを設
置する際の操作について説明する。まずAEセン
サ６を所定位置に取付けた後、工具の種類等に応
じてレベル設定器４をその所定のレベルに設定し
駆動回路５を動作させる。そうすれば擬似折損信
号発生器３よりAE信号がワーク１及びベースを
介してAEセンサ６に伝えられる。このときAEセ
ンサ６より得られる擬似折損信号は工具の折損時
と同一のパワースペクトルを有し、更に時間領域
においても折損時の波形と相似の波形を有してい
る。従つてレベル設定器４によつて定められたレ
ベルによつて可変抵抗器９を調整し、増幅器８の
増幅率を変えて工作時に信号処理部に適切なレベ
ルのAE信号が信号処理部に与えられるようにす
る。こうすれば工具とAEセンサ６間の取付状態
によりAE信号の減衰率が不明であつても、折損
時と同一レベルの信号を信号処理部に与えること
が可能となる。

（信号処理部の動作） さて通常の切削加工時にAEセンサ６より与え
られるAE信号のパワースペクトルの分布は第２
図の曲線ｂに示すように周波数50KHz付近に集中
しており、それより高い周波数領域では単調に減
衰する分布となつている。又多くの実験より知ら
れるように工具の折損時のパワースペクトルの分
布は第２図の曲線ａにより表され、周波数300K
Hz付近にピークを持つことが明らかとなつてい
る。これは信号源が機械的振動を原因とするもの
でなく、工具の非可塑性破壊時に生じる超音波特
有の現象が起こるためと考えられる。従つて二つ
のバンドパスフイルタ１０，１１により夫々の周
波数成分付近のAE信号のみを取出して検波器１
３，１４により検波し、その出力レベルを比較す
れば通常時と工具折損時とを識別することが可能
である。即ち通常の切削時には周波数50KHz付近
のAE信号のパワーが周波数300KHz付近のパワー
より大きく、工具の折損時には周波数300KHz付
近のパワーが周波数50KHz付近のパワーより大き
いからである。比較器１７はこれらの出力を比較
して工具の折損時にのみ信号を折損検出回路１９
に与えている。

一方切削加工時に生じる切屑と工具やワークと
の接触、摩擦によつて第２図の曲線ａで示される
パワースペクトル分布と似た信号が発生する場合
がある。この場合にはバンドパスフイルタ１０，
１１の中心周波数やＱの値、及び比較器１６のス
レツシユホールドレベル等を適切に設定しても切
屑と工具やワークの接触、摩擦による信号を工具
の折損信号と誤つて判断することがある。従つて
本実施例においては工具の折損時に見られるAE
信号の時間領域の波形にも着目し、これらの信号
を分離している。即ち工具の折損時に得られる
AE信号波形は第３図ａに示すように折損時に鋭
い立上りを有する信号となつており、一方切屑と
工具やワークの接触、摩擦によつて発生するAE
信号や第３図ｂに示すように鋭い立上りを示さず
ある時間信号が継続する波形となつている。従つ
て第１図に示すように検波器１３の出力を微分回
路１５に与え、折損時等の急峻な信号のみを分離
してレベル判定器１８に与える。そしてその入力
レベルを所定の基準値と比較し、急峻な立上りの
AE信号が得られたときにレベル判定器１８より
折損検出回路１９に信号が与えられる。

（減衰特性識別手段の動作） 次に立上りが鋭く折損時と同一のパワースペク
トル分布を持つた折損でない信号が発生する可能
性もある。そこで本発明では折損信号の立上り波
形、即ち減衰特性に着目し折損時の減衰特性を有
するものを識別して折損の判定条件とすることに
より折損検出の信頼性を向上させている。第４図
は折損時に検波器１３より得られる折損時のAE
信号の包絡線波形の一例を示す図である。本図に
示すように折損時にはＥ信号が鋭く立上り所定の
減衰特性によつて減衰する。そしてこの減衰は工
具の種類や大きさにかかかわらず同一の波形を有
している。従つて最適感度に調整されたAEセン
サ６の折損信号の出力レベルはほぼ同一であり、
又その信号が平均信号レベルを越え通常のレベル
に戻るまでの時間Taは5mSを越えないことが多
くの実験より明らかとなつている。従つて信号が
立上つてピークに達したときの時刻をt1とし、時
刻t1から一定時間ΔT（例えば3mS）経過後の時刻
をt2とすると、時刻t1，t2の振幅A1，A2の比に
よつて減衰特性を識別する。即ち遅延回路１６の
遅延時間をΔTとし、アツテネータ２１の減衰率
をA2／A1としておく。そうすれば遅延回路１６
の遅延出力はアツテネータ２１によりA2／A1に
減衰することとなる。そしてこれらの出力がほぼ
同一と考えられる範囲をウインドーコンパレータ
２２によつて定めておく。そうすれば検波器１３
より得られるAE信号が第４図に示すような減衰
特性を持つとき、時刻t2にウインドーコンパレー
タ２２より遅延前の信号とが比較され、その差が
極めて少ないので検知出力がウインドーコンパレ
ータ２２より折損検出回路１９に与えられる。折
損検出回路１９はこれらの論理積信号によつて工
具の折損を検出する。このように折損時の信号の
減衰特性を折損時の一つの条件として他の折損検
出条件、例えば周波数領域の折損検出と時間領域
の折損検出とを組み合わせることによつて確実に
工具の折損のみを検出することが可能となる。

（本実施例の全体動作） こうすれば工作機械において見られる他の信
号、例えばソレノイドの開閉に伴うスパイク状の
電気ノイズはバンドパスフイルタ１０、検波器１
３を介して微分回路１５よりレベル判定器１８に
伝えられることもあるが、そのパワースペクトル
は第２図の曲線ｃに示すように単調減少の分布を
有しており、比較器１７から出力が得られない。
又ワーク１やワーク１のベースに物体が衝突した
ときに生じる衝撃波が考えられるが、この場合に
も機械的な振動のためパワースペクトルは低い周
波数に集中しており周波数300KHz付近では大き
く減衰しているため、比較器１７じょり出力は得
られず工具折損信号を生じることはない。更に第
２図の曲線ａに示すようなパワースペクトルを有
し且つ第３図ａに示すような鋭い立上りを有する
AE信号が与えられた場合にも、第４図に示すよ
うな減衰特性がなければウインドーコンパレータ
２２より出力が折損検出回路１９に与えられな
い。従つてこのような信号を誤つて折損信号と検
出する恐れはなく折損検出の精度を向上させるこ
とが可能である。このようにして工具の折損のみ
を検出し出力回路２３より折損信号を与えると共
に、アナログスイツチ７をオフとして以後AE信
号を増幅器８に伝えないようにしている。これは
工具の折損後に折損した工具とワークとの異常接
触や摩擦により発生する大きなAE信号を切削レ
ベル表示器１２に表示させないようにして折損時
の信号レベルが認識できるようにするためであ
る。

尚本実施例は減衰特性識別手段として遅延回路
と遅延信号を所定の比で減衰させるアツテネータ
及び減衰信号と遅延前の信号を比較する比較手段
を設けているが、遅延前の信号を所定の比率で増
幅させて比較してもよく、又両者の比を直接比較
することも可能である。更にAEセンサの出力を
順次記憶し所定時間ΔT前のデータとその時点で
のデータを比較することによつて減衰特性を検出
することも可能である。

又本実施例では減衰特性識別手段の他に周波数
領域での折損検知と時間領域での折損検知との双
方を用いこれらの論理積によつて折損を検知する
ようにしているが、いずれか一方の折損検知でも
よく又他の折損検知を組み合わせることも可能で
ある。

更に本実施例はボール盤のドリル折損検出装置
について説明しているが、本発明は他の工作機
械、例えば旋盤やフライス盤等の種々の工作機械
に適用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による工具折損検出装置の一実
施例を示すブロツク図、第２図はAEセンサ６よ
り得られるAE信号のパワースペクトルを示す図、
第３図ａは工具折損時に得られるAE信号波形、
第３図ｂは切屑が生じる場合に得られるAE信号
波形を示す図、第４図は検波器１３より得られる
折損信号の包絡線波形を示す図である。 １……ワーク、２……ドリル、３……擬似折損
信号発生器、４……レベル設定器、５……駆動回
路、６……AEセンサ、７……アナログスイツチ、
８……増幅器、１０，１１……バンドパスフイル
タ、１３，１４……検波器、１５……微分回路、
１６……遅延回路、１７……比較器、１８……レ
ベル判定器、１９……折損検出回路、２１……ア
ツテネータ、２２……ウインドーコンパレータ、
２３，２４……出力回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 工作機械の工具近傍に設けられたAEセンサ
   を有し、工具の折損時に得られるAE信号に基づ
   いて折損を検出する工具折損検出装置において、 ある時刻の前記AEセンサのAE信号の振幅及び
   該時刻より一定時間前のAE信号の振幅を比較し、
   該振幅の比が折損時の減衰特性の範囲内にあると
   きに出力を出す減衰特性識別手段と、 前記AEセンサの出力信号に基づいて工具折損
   を識別する信号処理部と、 前記減衰特性識別手段及び前記信号処理部の論
   理積出力に基づいて工具折損検出出力を出す論理
   出力手段と、を具備することを特徴とする工具折
   損検出装置。 ２ 前記信号処理部は、工具の折損時に得られる
   AE信号の周波数成分と強い相関を持つ周波数成
   分のAE信号が前記AEセンサより与えられたとき
   に出力を出す周波数識別手段であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の工具折損検出装
   置。 ３ 前記信号処理部は、前記AEセンサより急激
   に立上る信号が与えられたときに出力を出す立上
   り信号検出手段であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の工具折損検出装置。 ４ 前記信号処理部は、工具折損時に得られる
   AE信号の周波数成分と強い相関を持つ周波数成
   分のAE信号が前記AEセンサより与えられたとき
   に出力を出す周波数識別手段、及び前記AEセン
   サより急激に立上る信号が与えられたときに出力
   を出す立上り信号検出手段の論理積によつて出力
   を出す検知手段であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の工具折損検出装置。